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1、1 Why Polar Modulation 高通的 RTR6285A 在 GSM/GPRS/EDGE 部分的调变器架构，并非如下图一般，直接 IQ 讯号合成为 RF 讯号，即 IQ Modulation 而是会先将 IQ 讯号转换成 AM (Amplitude Modulation)讯号跟 PM(Phase Modulation)讯号，然后再合成为 RF 讯号，也就是所谓的 Polar Modulation。 2 因为IQ讯号是数字讯号，会在MSM (Mobile Station Modem)里以PDM型式呈现， 然后传送到DAC，转为模拟讯号 3 由1可知，调整DAC的DC Setting
2、，以及有效调整Idc与Qdc，都可以改善 Carrier Feedthrough现象，加强Carrier suppression，在此不再赘述。 4 因为IQ Modulation架构，前端只能用线性PA，而线性PA多半会采用 Back-off技术，来确保线性度，如下图 : 但是，当Back-off越多时，则PAE (Power Added Efficiency)便会下降， 同时Gain也会下降 5 这由下式可得知: 其中PDC是该输出功率的直流消耗功率，可知Gain与PAE成正比。 由图也得知，当输出功率在饱和区时，其PAE最大，主要原因是PA在饱和区 时，其耗电流也最大，此时的PAE，对通
3、话时间长短，有关键性的影响，因此 在设计PA时，多半会将最大的PAE，设计在饱和区。所以若以效率考虑，应该用 所谓的非线性PA，即所谓的饱和PA，将输出功率操作在饱和区，以降低 耗电流。 由上图可知， GSM采GMSK调变， 只调变相位， 不调变振幅， 也就是只有PM讯号， 而没有AM讯号。其波形为恒包络，即包络固定不变，而恒包络的讯号，可以用 非线性PA来放大，虽然会有其非线性效应，造成失真，但可透过校正方式补偿回来。 如此便能在拥有可接受之失真度的情况下，达到最大PAE。 6 然而这只能适用于 GSM 与 GPRS， 却不能用在 EDGE。 EDGE 全名为 Enhance Data Ra
4、tes for Global Evolution，其 Data Rate 是 GSM 的 3 倍，使消费者可以更容易传送影像，网页与图片等。之所以 Data Rate 能比 GSM 高，主要是因为 EDGE 采用 8PSK 调变，不只利用相位来做调变，也利用振幅来作调变，换句话说，同时包含 AM 与 PM 讯号，其波形为非恒包络，即包络会随时间变动。 7 由上两张图得知，8PSK为非恒包络讯号，而非恒包络讯号，不能以非线性PA 来放大，否则会有严重且无法补偿的非线性失真。 另外由下图可知，EDGE的PAR(Peak Average Ratio)比GSM大 所谓PAR，是指峰值功率与平均功率的差
5、，如下式 : 8 前面已叙述过，通常为了维持线性度，会采 Back-off 技术，也就是将输出功率，操作在平均功率的范围 (线性区)。而由上式可知，PAR 是指峰值功率(饱和区)与平均功率的差，因此若 PAR 高，则 Back-off 就大，也就是对线性度越要求。这由 GSM 与 EDGE 的最大功率输出规范可得知，GSM 在 Low Band 的最大功率输出为 33dBm， High Band 为 30dBm。 而 EDGE 在 Low Band 的最大功率输出为27dBm， High Band 为 26dBm。 因此 EDGE 的 PAR 比 GSM 大， 所以 Target Power比
6、 GSM 小，以维持线性度。 而GSM因为PAR为0，所以理论上可以不需Back-off，直接将输出功率操作在 峰值功率(饱和区)，以达到最大PAE。但EDGE不管是调变方式，或PAR， 都不同于GSM，因此在维持必需线性度的情况下，不可用非线性PA来 放大其讯号。 由于 EDGE 讯号只能操作在 PA 线性区，因此若 GSM 与 EDGE 共享一颗 PA 来发射讯号，则可以将 GSM 讯号操作在饱和区，以提升 PAE，但 EDGE 讯号必须操作在线性区，以降低失真度。然而前面已叙述过，设计 PA 时，多半会将最大的PAE，设计在饱和区，因此只能操作在线性区的 EDGE 讯号，其效率必定远小于
7、 操作在饱和区的 GSM 讯号。EDGE 的最大功率比 GSM 小，此时 EDGE 的 PAE，可能连 20%都不到。 在 PA 的设计上，效率与线性度，一直是个很难兼具的挑战。若要加强线性度，则须牺牲效率。反之，若要加强效率，则须牺牲线性度。因此，为解决该难题，Polar Modulation 技术，便开始出现在手机 PA 设计。因此，高通的 RTR6285A，在 GSM/GPRS/EDGE 部分的调变器架构，之所以采用 Polar Modulation 架构，便是为了因应 8PSK 所需的线性度，同时提升 8PSK 的低效率。 9 Polar Modulation Concept 上图是P
8、olar Modulation的基本概念，因为EDGE有AM讯号，又AM讯号不能经 过非线性PA，因此先将EDGE的AM讯号与PM讯号区分开来。当AM讯号被抽离后 ，此时等同于GMSK调变，只有PM讯号，为恒包络。而PM讯号即RF载波，故此 时的PM讯号，不但可以直接经由PA放大，而且因恒包络，更可以直接经由非线 性PA放大。 而AM讯号，为低频讯号，因此不能经由PA放大，而且又是非恒包络，更不能经 由非线性PA放大，因此会有额外的放大调变机制，统称为Envelope Amplifier， 来放大其AM讯号，最后再和放大后的PM讯号合成。 10 上图为高通RTR6285A的Polar架构，IQ
9、讯号会先在MSM里头，转换成AM跟PM 讯号，分别走不同路径，AM讯号因为是低频讯号，不会经过RTR6285A，也不会 经过PA。而PM讯号则是会先在RTR6285A中，作升频动作，再由RTR6285A，输 出到PA作放大，最后再和已放大的AM讯号结合。 那么， IQ讯号， 是如何转换成AM跟PM讯号呢? 通常会使用所谓的CORDIC ( Coor- dinate Rotation Digital )算法，将其直角坐标的IQ讯号，转为极坐标的AM跟PM 讯号。 11 ( )R t即AM讯号，( ) t即PM讯号，以上动作皆会在MSM内完成，即 Rectangular to Polar的动作。
10、另外，由于CORDIC本身也有非线性效应，若其输入的IQ讯号有其噪声，则会连 带使接下来的AM跟PM讯号，以及PA的输出讯号，都一并失真，因此IQ讯号，多 半为差分型式，主要是因为差分讯号具有良好的抗干扰特性2，如此便可使IQ 讯号，较不易受到噪声干扰。而RTR6285A的IQ讯号，便是采差分型式。 由于IQ讯号彼此相位差为90度，而差分讯号之相位差为180，因此IQ讯号全部4 条讯号线的相位差如下图 : 12 前面已叙述过，零中频的架构，容易会有LO leakage的现象1， 然而同样零中频架构， Polar Modulation又比IQ Modulation， 更容易有LO leakage
11、 的现象，因此在GSM Tx校正过程中，必须一开始就先针对Carrier Suppression 作优化，否则会连带使接下来的讯号，都一并失真。高通的RTR6285A，在 GSM Tx校正过程中， 会作三次量测， 得到三组Idc与Qdc， 最后将Carrier Suppression抑制效果最佳的Idc与Qdc值，填入手机射频参数中。 13 特别值得注意的是，其下式的PM讯号， 会在MSM内，再转为正规化的IQ讯号，然后进入RTR6285A，作混波升频动作， 而PM路径之转回直角坐标的IQ讯号，其分母皆会除于下式，作正规化的动作。 14 因此由MSM到RTR6285A的PM讯号，会有两个路径，
12、 接着再透过RTR6285A的Limiter，将其PM讯号，调变为恒包络的讯号。最后接 到PA的基极，使PA驱动到饱和区，这样便能使PA在饱和区工作，以达到最大的 PAE。 15 从上图得知， Polar PA不管是GMSK Mode， 或8PSK Mode， 都比线性PA来的省电。 16 上述提到，AM讯号会有额外的放大调变机制，统称为Envelope Amplifier。以 RFMD的RF3225为例3，其Envelope Amplifier包含一个错误放大器，与一个线 性稳压器。当输入电压Vramp输入其错误放大器后，会透过线性稳压器，产生输 出电压，也就是PA的集极电压Vcc。藉由改变
13、Vcc，便可对AM讯号，作调变动作。 17 另外Vcc也决定PA的输出功率，以RFMD的RF3225为例，其Vcc与输出功率关系 : 其中Vsat是晶体管的饱和电压，或称之Vknee。上述已提到，PM讯号会接到PA 的基极，将PA驱动到饱和区，使PA在饱和区工作，以达到最大的PAE。 18 至于Rl，则是PA的负载阻抗，即所谓Load Pull的概念。 当然Load-pull不只会影响输出功率跟PAE，也会影响Harmonics4。而Tune Load-pull的技巧，在5中皆有详述。 19 AMAM AMPM 下图中的H(s)是Vramp跟Vcc的转移函数， 因为Vcc是Vramp透过一个线
14、性稳压器所得到的输出电压， 所以其H(s)会是一个线 性的转移函数， 也就是Vramp可以很精准地去控制Vcc， 进而去改变PA输出功率。 但Polar PA， 本身是非线性PA， 因此Vramp与PA输出功率， 为非线性关系， 将Vramp 与Vcc以及PA输出的关系整理如下 : 20 而因为Polar Modulation会把AM讯号跟PM讯号分离再结合，因此PA的输出，会 同时包含振幅与相位，因此输出功率与输出相位，都会有非线性失真。特别是输出相位，由于PM讯号是直接进入非线性PA作放大动作，因此输出相位非线性失真的程度，会比输出功率非线性失真的程度，来得更为严重。其输出功率的失真 程度
15、，称之为AMAM，而输出相位的失真程度，称为AMPM。Polar Modulation技术，本身会具备既有的AMAM与AMPM失真6。 上图的Vapc，即Vramp，而以失真的角度而言，当然希望输出的功率与相位，与Vramp的对应曲线，能越线性越好，如上图的Desired PA response。如此才能将非线性失真程度降到最低。 21 Pre-distortion 因此我们必须将非线性PA既有的非线性失真，作线性化的动作。而RTR6285A在此采用的是所谓Pre-distortion的技术，如下图 : 由上图得知，所谓的pre-distortion，便是先提供一个与PA输出特性曲线完全相 反
16、的特性曲线，接着再合成，最后便能产生线性的输出。若将PA输出特性曲线以函数表示，则pre-distortion，便是所谓的反函数。 22 前面已叙述过，CORDIC算法，会将直角坐标的IQ讯号，转化成包含振幅与相位的极坐标向量讯号， 若量测的向量讯号，与预期理想的向量讯号不符，便会有所谓的EVM (Error Vector Magnitude)。 23 若EVM过大，则输出讯号会严重失真。 由上图可知，线性化之后，其EVM有所改善。 24 另外由上图得知，Pre-distortion不但可以改善非线性失真，同时可以提升PAE， 降低耗电流。 25 Polar Calibration 高通的 RTR6285A， 在做 Polar Calibration 时， 手机会先发射一个 Continuous Wave给 Agilent 8960 做量测，接着 Agilent 8960 会将量测结果再传回手机，即 PA 的特性曲线。 26 接着手机内部会将回传之PA特性曲线切割分段，并利用反函数方式，找出各小段所需Pre-distortion之
